麻省理工學院（MIT）和滑鐵盧大學（University of Waterloo）的研究人員開發(fā)了一種高功率、便攜式的量子級聯激光器，這種激光器可以在實驗室環(huán)境之外產生太赫茲輻射。這種激光有可能應用于諸如精確定位皮膚癌和探測隱藏爆炸物等領域。

到目前為止，能夠進行實時成像和快速光譜測量的太赫茲輻射需要在遠低于200開氏度（－100F ／ －73℃）甚至更低的溫度下運行。要達到這種溫度就必須要有龐大的設備，這就限制了這項技術只能在實驗室中使用。

麻省理工學院電子工程和計算機科學特聘教授胡青（音）及其同事在其研究論文中表示，他們的太赫茲量子級聯激光器可以在高達250開氏度（－10F）的溫度下工作，這意味著只需要一個小巧的便攜式冷卻器就能達到這種溫度。他們的研究發(fā)表在《自然光子學》上。

胡教授表示：“太赫茲量子級聯激光器是一種嵌入芯片的微型半導體激光器，發(fā)明于2002年，但是要在200開氏度以上運行是非常困難的，以至于有不少業(yè)界學者推斷這里面有一個基礎物理原理阻礙了這一過程?！?/p>

圖片來源：麻省理工學院官網

便攜式太赫茲

胡教授說：“由于可以適應200開氏度以上溫度的環(huán)境，我們可以將太赫茲量子級聯激光器集成到一個小巧的便攜式系統中，并將這項突破性技術帶出實驗室。這有望令便攜式太赫茲成像和光譜系統得以面世，一旦面世將對醫(yī)學、生物化學、安全以及其他領域的廣泛應用產生重要影響?！?/p>

“該領域的許多權威人士不相信這些設備可以在實驗室環(huán)境之外或接近室溫的任何地方工作，”滑鐵盧大學物理學家、電子和計算機工程教授Zbig Wasilewski評論道。“我們剛完成的研究正在改變這種看法。”

定制式工程

這些激光器只有幾毫米長，是量子阱結構，帶有精心定制的阱和屏障。在這種結構中，電子“級聯”地沿著一種階梯向下，每走一步都發(fā)射出一種輕粒子，即光子。

研究中的一項重要創(chuàng)新是將激光內的屏障高度提高一倍，以防止電子的泄漏，而這種現象在高溫下往往會增加。

胡教授說：“我們知道電子泄漏是致命的。如果不使用低溫恒溫器冷卻，就會導致系統崩潰。所以，我們設置了更高的屏障來防止泄漏，結果證明這是突破的關鍵?！?/p>

胡教授表示，以前，偶爾會有人去做高屏障的研究，但結果不如人意。普遍的觀點是，電子散射的增加與更高的屏障是有害的，因此不應該設計更高的屏障。研究小組為能帶結構開發(fā)了正確的參數以及為整體設計開發(fā)了一個概念新穎的優(yōu)化方案。

圖片來源：麻省理工學院官網

復雜結構

“這是非常復雜的結構，在量子阱和屏障之間有將近15000個界面，其中一半甚至還不到7個原子層的厚度，”合著者Wasilewski解釋說?！斑@些界面的質量和再現性對太赫茲激光器的性能至關重要?！?/p>

在醫(yī)療領域，這種新型便攜式系統包括一個小巧的相機和探測器，可以在任何有電源插座的地方操作，可以在皮膚癌篩查甚至切除皮膚癌組織的手術過程中提供實時成像。胡教授表示，癌細胞“在太赫茲內表現得非常明顯”，因為它們的水和血液濃度比正常細胞要高。該技術還可應用于許多需要檢測產品內部異物以確保產品安全和質量的行業(yè)。

責任編輯：PSY